磁性位移傳感器以及位移的檢測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及基于磁性位移傳感器來(lái)檢測(cè)位移，特別涉及減小由溫度變動(dòng)引起的誤差。
【背景技術(shù)】
[0002]已知使用將磁性體和非磁性體交替且周期性地配置的磁尺以及磁性位移傳感器來(lái)檢測(cè)位移的情況。例如，在專利文獻(xiàn)1(日本特開平09-264758)中公開一種磁性位移傳感器，使用4個(gè)一次線圈和4個(gè)二次線圈來(lái)取出sin(0+cot)的輸出。此處，ω是勵(lì)磁用的交流電流的角頻率，Θ是相對(duì)于磁尺的電氣相位角。在該磁性位移傳感器中，線圈為環(huán)狀，將一次線圈配置于內(nèi)周側(cè)，將二次線圈配置于外周側(cè)，并將一次線圈與二次線圈重疊配置。并且，桿狀的磁尺通過(guò)環(huán)狀線圈的中空部，使用在磁尺上以恒定間距設(shè)置的磁標(biāo)記，磁性位移傳感器檢測(cè)位移。以下，有時(shí)將磁性位移傳感器簡(jiǎn)稱為傳感器。
[0003]當(dāng)不使用一次線圈和二次線圈而使用兼具一次和二次的線圈時(shí)，能夠使線圈的數(shù)量例如成為一半(專利文獻(xiàn)2:日本特開2013-024779)。在該情況下，對(duì)線圈的列施加交流電壓，而對(duì)在線圈中流動(dòng)的交流電流的相位(θ+cot)進(jìn)行檢測(cè)。并且，當(dāng)使電流流動(dòng)的方向相反地設(shè)置兩列線圈的列時(shí)，能夠減小由磁尺與傳感器之間的相對(duì)速度引起的誤差(專利文獻(xiàn)2) ο
[0004]并且，提出通過(guò)磁性位移傳感器來(lái)補(bǔ)償熱變形對(duì)機(jī)床等精密機(jī)械的影響(專利文獻(xiàn)3:日本特開2011-093069)。例如，當(dāng)車床的主軸箱與刀架之間的間隔由于車床的熱變形而變化時(shí)，工件的加工精度降低。因此，通過(guò)對(duì)主軸箱以及刀架的位置進(jìn)行測(cè)定，由此求出主軸箱與刀架之間的間隔，只要以不受周圍溫度的影響的方式使主軸箱等移動(dòng)，則能夠補(bǔ)償熱變形的影響。在專利文獻(xiàn)3中，通過(guò)磁尺和磁性位移傳感器來(lái)測(cè)定機(jī)床的主軸箱以及刀架的位置。在專利文獻(xiàn)3中雖然未明確記載，但當(dāng)通過(guò)因瓦合金等實(shí)質(zhì)上不產(chǎn)生熱膨脹的材料來(lái)構(gòu)成磁尺時(shí)，成為不受周圍溫度的影響的磁尺。
[0005]發(fā)明人著眼于磁性位移傳感器本身不受熱膨脹的影響的情況。該傳感器例如將線圈卷繞在非磁性體的線圈架上。作為非磁性體，已知熱膨脹率極小的玻璃、陶瓷等，但僅通過(guò)這種材料難以加工成精確的形狀。此外，當(dāng)將熱膨脹率較小的因瓦合金等用于線圈架時(shí)，線圈架的因瓦合金會(huì)遮斷磁尺的影響。因而，難以消除線圈架的熱膨脹。
[0006]另外，在專利文獻(xiàn)4 (日本特開2003-269993)的位置傳感器中，在由陶瓷、因瓦合金等熱膨脹率較小的原材料形成的圓柱的表面，設(shè)置Cu的薄膜線圈。而且，公開有如下內(nèi)容:使Cu的薄膜線圈相對(duì)于不銹鋼的管進(jìn)出，對(duì)不銹鋼管與薄膜線圈重疊的長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)定。假設(shè)如果能夠?qū)⒉讳P鋼管變更為因瓦合金等的管，并在其內(nèi)周面設(shè)置精密的磁標(biāo)記，則能夠不受周圍溫度的影響地測(cè)定位置。但是，這種加工較困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的課題在于減小周圍溫度對(duì)磁性位移傳感器的影響。
[0008]本發(fā)明為一種磁性位移傳感器，通過(guò)由支承體支承的多個(gè)線圈與沿著長(zhǎng)度方向以恒定間距設(shè)置有周期性地變化的磁標(biāo)記的磁尺之間的相互作用，對(duì)位移進(jìn)行檢測(cè)，其特征在于，具備:
[0009]殼體，收納支承體；以及
[0010]固定部，沿著磁尺的長(zhǎng)度方向?qū)⒅С畜w的中央部固定于殼體，
[0011]沿著磁尺的長(zhǎng)度方向，在固定部的兩側(cè)，多個(gè)線圈分別以相同數(shù)量支承于支承體。
[0012]本發(fā)明還提供一種位移的檢測(cè)方法，通過(guò)具有支承體和由支承體支承的多個(gè)線圈的磁性位移傳感器、以及沿著長(zhǎng)度方向以恒定間距具有周期性地變化的磁標(biāo)記的磁尺，對(duì)位移進(jìn)行檢測(cè)，其特征在于，
[0013]上述磁性位移傳感器具備:
[0014]殼體，收納支承體；以及
[0015]固定部，沿著磁尺的長(zhǎng)度方向?qū)⒅С畜w的中央部固定于殼體，
[0016]沿著磁尺的長(zhǎng)度方向，在固定部的兩側(cè)，多個(gè)線圈分別以相同數(shù)量支承于支承體，
[0017]在分別以相同數(shù)量支承在固定部的兩側(cè)的線圈之間，使支承體的熱膨脹的影響抵消。
[0018]對(duì)于支承體的固定部、換言之為將支承體固定于殼體的位置來(lái)說(shuō)重要的是:在固定部的兩側(cè)分別配置相同數(shù)量的線圈，并在線圈之間使支承體的熱膨脹的影響抵消。將中央部作為固定部是為了將線圈配置在其兩側(cè)，但固定部并不限定于長(zhǎng)度方向上的中心。線圈的配置優(yōu)選相對(duì)于支承體的中央部(固定部)對(duì)稱。
[0019]在本發(fā)明中，即便由于支承體的熱膨脹而線圈的位置變化，也能夠在分別以相同數(shù)量支承在固定部的兩側(cè)的線圈之間，使熱膨脹的影響抵消。當(dāng)線圈的配置相對(duì)于固定部對(duì)稱地接近時(shí)，由熱膨脹引起的位移的檢測(cè)誤差變小。但是，即便不對(duì)稱，通過(guò)在固定部的兩側(cè)分別配置相同數(shù)量的線圈，也能夠相當(dāng)大程度地使誤差抵消。
[0020]例如，能夠考慮到，如+sin相的線圈和-sin相的線圈、以及+cos相的線圈和-cos相的線圈那樣，設(shè)置至少2個(gè)sin相輸出的線圈、以及至少2個(gè)cos相輸出的線圈。在該情況下，當(dāng)沿著磁尺的長(zhǎng)度方向，在固定部的兩側(cè)配置至少各1個(gè)sin相輸出的線圈、并且配置至少各1個(gè)cos相輸出的線圈時(shí)，在+sin相的線圈與-sin相的線圈之間能夠使誤差抵消，在+cos相的線圈與-cos相的線圈之間也能夠使誤差抵消。
[0021]更優(yōu)選為，多個(gè)線圈為6個(gè)或者8個(gè)。并且，按照將磁尺的磁標(biāo)記的間距設(shè)為2 31的電氣相位角，將電氣相位角均為Θ的2個(gè)線圈在固定部的兩側(cè)對(duì)稱地配置各1個(gè)，且將相對(duì)于磁尺的電氣相位角均為θ+π的2個(gè)線圈在固定部的兩側(cè)對(duì)稱地配置各1個(gè)。電氣相位角為Θ和Θ+3Τ的線圈可以是sin相的線圈、也可以是cos相的線圈。
[0022]當(dāng)將+sin相的輸出的線圈相對(duì)于-sin相的輸出的線圈固定部對(duì)稱地配置時(shí)，難以將土cos相的輸出的一對(duì)線圈對(duì)稱地配置。此外，當(dāng)將土COS相的輸出的一對(duì)線圈相對(duì)于固定部對(duì)稱地配置時(shí)，難以將土sin相的輸出的一對(duì)線圈對(duì)稱地配置。另外，sin相和cos相僅是將哪個(gè)位置作為電氣相位角的0的問(wèn)題。因此，例如將+sin相的輸出的線圈和-sin相的輸出的線圈相對(duì)于固定部對(duì)稱地配置。能夠?qū)?cos相的一對(duì)線圈相對(duì)于固定部對(duì)稱地配置，也能夠?qū)?cos相的一對(duì)線圈相對(duì)于固定部對(duì)稱地配置。因此，當(dāng)將+COS相的線圈和-COS相的線圈在固定部的兩側(cè)對(duì)稱地配置各一對(duì)時(shí)，線圈的配置成為對(duì)稱。并且，在該情況下，由溫度變動(dòng)引起的誤差幾乎為0。
[0023]尤其優(yōu)選為，多個(gè)線圈為8個(gè)，將相對(duì)于磁尺的電氣相位角例如均為(θ +1/2 31)的2個(gè)線圈在固定部的兩側(cè)對(duì)稱地配置各1個(gè)，且將相對(duì)于磁尺的電氣相位角例如均為(θ -1/2 31)的2個(gè)線圈在固定部的兩側(cè)對(duì)稱地配置各1個(gè)。剩余4個(gè)線圈的相位例如2個(gè)為θ、2個(gè)為Θ+jt。如此，能夠?qū)?sin相的線圈和-sin相的線圈、以及+cos相的線圈和-cos相的線圈，分別在處于支承體的中央部的固定部的兩側(cè)對(duì)稱地配置各2個(gè)。并且，相同輸出相位的線圈各存在2個(gè)，因此驅(qū)動(dòng)電路變得簡(jiǎn)單。
[0024]此外，優(yōu)選為，支承體是使磁尺插通自如的中空形狀的線圈架，多個(gè)線圈卷繞于線圈架。在該情況下，將線圈架的中央部固定于殼體，在線圈架的中央部的兩側(cè)，優(yōu)選盡量提高對(duì)稱性地配置線圈，最優(yōu)選對(duì)稱地配置線圈。于是，容易在線圈之間使熱膨脹的影響抵消。此外，在磁尺中，在管或者桿的外周面上，能夠通過(guò)電鍍等來(lái)設(shè)置精確的磁標(biāo)記。磁標(biāo)記在線圈架的內(nèi)部通過(guò)，因此能夠加強(qiáng)線圈與磁標(biāo)記之間的磁性相互作用。
[0025]優(yōu)選為，殼體與支承體的熱膨脹率不同。更優(yōu)選為，使殼體的熱膨脹率低于支承體的熱膨脹率。另外，在本說(shuō)明書中，按照線熱膨脹率的含義來(lái)使用熱膨脹率。在將支承體收納于殼體的情況下，使兩者的熱膨脹率一致是一種常識(shí)。但是，在本發(fā)明中，不需要使兩者的熱膨脹率一致。尤其是，支承體相對(duì)于殼體向固定部的兩側(cè)進(jìn)行伸縮，因此不會(huì)產(chǎn)生由熱膨脹率的不同引起的應(yīng)變。與支承體相比，殼體能夠選擇材料的范圍更廣，因此優(yōu)選使殼體的熱膨脹率小于支承體的熱膨脹率。
[0026]優(yōu)選為，殼體為因瓦合金、超因瓦合金等低熱膨脹率的金屬，支承體為低熱膨脹率的玻璃與有機(jī)粘結(jié)劑的混合物等絕緣體。在本說(shuō)明書中，低熱膨脹率是指室溫下的線熱膨脹率為2ppm以下，在因瓦合金中為1.2ppm。此外，支承體的線膨脹率例如為20ppm程度。由于將支承體固定于低熱膨脹率的殼體，因此能夠減小溫度變動(dòng)對(duì)殼體的影響。此外，由于是金屬的殼體，因此能夠遮斷來(lái)自外部的電場(chǎng)。尤其是，因瓦合金為磁性，還能夠遮斷來(lái)自外部的磁場(chǎng)。絕緣體的支承體不會(huì)妨礙磁尺與線圈之間的相互作用，尤其是當(dāng)成為玻璃與塑料粘結(jié)劑的混合物時(shí)，能夠精確地加工成所期望的形狀。
【附圖說(shuō)明】
[0027]圖1是實(shí)施例的磁性位移傳感器的長(zhǎng)度方向截面圖。
[0028]圖2表示線圈的配置，1)表示現(xiàn)有例的配置，2)表示實(shí)施例的配置，3)表示變形例1的配置，4)表示最佳實(shí)施例的配置，5)表示變形例2的配置，6)表示變形例3的配置，7)表不電氣相位角(相位)。
[0029]圖3是實(shí)施例1的驅(qū)動(dòng)電路的電路圖。
[0030]圖4是最佳實(shí)施例的驅(qū)動(dòng)電路的電路圖。
[0031]圖5是對(duì)于現(xiàn)有例、實(shí)施例以及最佳實(shí)施例表示由溫度依存性引起的誤差的模擬結(jié)果的圖。
[0032]圖6是表示實(shí)施例和最佳實(shí)施例的誤差的實(shí)測(cè)值的圖。
【具體實(shí)施方式】
[0033]圖1?圖6表示實(shí)施例及其變形。圖1表示磁性位移傳感器10的構(gòu)造。2是磁尺，在因瓦合金、超因瓦合金等低熱膨脹率的圓棒的表面上，以一定的間距設(shè)置環(huán)狀的Cu薄膜6等磁標(biāo)記，磁尺的表面例如由保護(hù)膜8覆蓋。為了設(shè)置Cu薄膜6，利用鍍Cu和蝕刻等即可。此外，也可以代替Cu，而使用A1等的非磁性的金屬膜。
[0034]磁性位移傳感器10 (以下簡(jiǎn)稱為傳感器10)具備由因瓦合金、超因瓦合金等低熱膨脹率的金屬形成的殼體12，從管14供給空氣，通過(guò)空氣軸承15非接觸地支承磁尺2。另夕卜，非接觸地支承磁尺2的構(gòu)成是任意的，并不限定于空氣軸承15。16是不銹鋼等的內(nèi)殼，收納線圈架18。線圈架18由玻璃粉體和粘結(jié)劑形成，并構(gòu)成為絕緣體。此外，線圈架18在沿著長(zhǎng)度方向的一個(gè)部位、在此為長(zhǎng)度方向的中心部，例如通過(guò)銷20固定于殼體12。在固定時(shí)，可以使用螺栓、小螺釘、鍵等緊固部件，或者也可以將殼體12與線圈架18嵌合或粘接。以下，沿著線圈架18的長(zhǎng)度方向(磁尺2的軸向)，將通過(guò)銷20固定的位置稱作(線圈架18的)中心C。此外，磁尺2在線圈架18的內(nèi)部沿著長(zhǎng)度方向移